Апгрейд: Новый взгляд на конструкцию шарового крана

19 Июня 2012

Конструктор трубопроводной арматуры, изобретатель
Мороз Владимир Вадимович.
mrzvla@rambler.ru


В настоящее время краны с шаровыми пробками прочно заняли первенство на рынке трубопроводной арматуры и стали настолько обычны, что что-то менять в их конструкции, по мнению многих, это как «изобретать велосипед - пытаться изобрести заново конструкцию, которая уже давно всем известна, отлично отработана, и совершенна в том смысле, что не содержит практически ничего лишнего и полностью соответствует своим задачам». Но, тем не менее, порой взгляд на обычные вещи под другим углом зрения открывает новые возможности. Эта статья как раз описывает попытку посмотреть на всем известную запорную арматуру «по-другому».

Пик роста производства шаровых кранов пришелся на начало 80-х годов, когда начали широкого использоваться при механической обработке станки с ЧПУ и появились такие уплотнительные материалы как фторопласт и полиуретан. Главными преимуществами шаровых кранов, которые обеспечили им успех, стали:

1) высокая герметичность затвора;
2) отсутствие застойных зон;
3) простота конструкции;
4) быстродействие;
5) удобный монтаж и эксплуатация;
6) низкий коэффициент гидравлического сопротивления;
7) длительный срок безаварийной работы;
8) благоприятные условия для диагностирования и очистки трубопровода;

Однако этому типу трубопроводной арматуры присущи и недостатки, основными из них являются:

1) постоянное прижатие седел к поверхности шара при помощи пружин, приводит к тому, что мягкое уплотнение трется о поверхность пробки и изнашивается (особенно при наличии твердых включений (песка) в рабочих средах), что в итоге сокращает срок эксплуатации крана. Кроме этого, поверхность шаровой пробки у крана, который длительное время находился в положении «закрыто», «зарастает» содержащимися в транспортируемой среде твердыми включениями, и при повороте пробки происходит сильный износ уплотнений седел. Применяемые для восстановления герметичности уплотнительные смазки не эффективны, они часто «коксуются» и забивают каналы, делая их не пригодными для дальнейшего использования;
2) сферическая поверхность пробки должна иметь правильную форму и высокую чистоту поверхности, а также покрыта износостойкими и коррозионностойкими материалами. Все это существенно увеличивает стоимость изготовления и ремонта шаровых кранов, особенно больших DN, что требует применения специального дорогостоящего оборудования для точной обработки сферы;

Имея в своей трудовой биографии большой опыт конструирования трубопроводной арматуры, автор статьи попытался найти такое техническое решение, которое позволило бы при сохранении всех основных преимуществ шаровых кранов, устранить перечисленные выше недостатки. При разработке новой конструкции было выделено ряд основных задач:

1) кран должен быть создан на базе шарового крана традиционной конструкции;
2) при эксплуатации должна быть обеспечена возможность корректировать износ уплотнительных элементов крана без его разборки и без применения уплотнительных смазок;
3) кран должен иметь уплотнение «металл по металлу»;
4) касание поверхности запорного органа с уплотнением должно происходит только в положении крана «Закрыто»;
5) кран должен иметь низкую себестоимость изготовления и высокую ремонтопригодность.

Для решения поставленной задачи были проанализированы существующие конструкции трубопроводной арматуры, такие как «Orbit Valve» фирмы «Cameron» (США), полнопроходный затвор производства ПТПА (г. Пенза), кран эксцентриковый НПЦ «АНОД» (г. Нижний Новгород), множество российских и европейских патентов.

Ниже приведено описание конструкции, которая в итоге была спроектирована на базе крана шарового DN100 PN100, выпускаемого многими арматурными предприятиями. По массогабаритным показателям и внешне новый шаровой кран практически не отличается от своего аналога (рис.1).


Рис.2

Кран предлагаемой конструкции ( рис. 2) имеет основные детали, такие как корпус из двух половинок, опоры пробки, уплотнение между полукорпусами аналогичные серийному образцу. В конструкцию крана, дополнительно в проходном отверстии пробки установлена втулка с возможностью поворота вокруг оси прохода. На втулке имеется паз, в который установлен рычаг для ее поворота и на концах втулки выполнены лыски, которыми она сопрягается с седлами. Седла установлены на, выполненных на пробке проточках, с возможностью перемещения в разные стороны при повороте втулки. Для возврата седел в исходное положение применены пружины. В полукорпусах неподвижно закреплены металлические уплотнительные диски.


Рис.3


В кране предлагаемой конструкции при повороте шаровой пробки при помощи рукоятки или привода, вместе с ней поварачиваются втулка, рычаг и размещенные на ней седла. При этом между сферическими поверхностями пробки, размещенными на ней седлами и неподвижно закрепленными в полукорпусах крана уплотнительными дисками имеется небольшой, но гарантированный зазор.

Наличие зазора исключает износ седел при повороте запорного органа и снижает момент при управлении краном. При приближении шаровой пробки к положению «закрыто», рычаг упирается в торец кольцевого паза, выполненном на верхней опоре (рис. 3) и поварачивает втулку, которая в свою очередь, раздвигает седла в противоположные стороны, герметизируя тем самым кран (рис. 4). Рычаг одним концом установлен в втулке и сверху зафиксирован верхней опорой в кольцевом пазу, поэтому дополнительного крепления не требует. При повороте пробки на открытие рычаг под действием пружины вместе с обечайкой возвращается в исходное положение, седла так же, под действием пружин возвращаются в исходное положение.


Рис.4


Для обеспечения возможности при эксплуатации корректировать износ уплотнительных элементов крана без его разборки и без применения уплотнительных смазок в конструкции предусмотрены регулируемые упоры (рис. 5).

Упоры установлены выше уплотнения верхней опоры, поэтому изолированы от рабочей среды и не требуют герметизации. Регулируемые упоры поворачивают верхнюю опору на требуемый угол, изменяя тем самым величину перемещения седел в закрытом положении крана, что позволяет изменять контактные давления в уплотнении, корректировать износ уплотнения в ходе эксплуатации и восстанавливать герметичность без разборки крана.


Рис.5


Подвижные седла изготовлены из коррозиоонностойкой стали или керамики и относительно пробки крана уплотнены резиновыми кольцами. Причем, резиновые кольца расположены на диаметре большем чем диаметр линии контакта подвижных седел с уплотнительными дисками (рис. 6). Уплотнительные диски герметизированы относительно корпуса, так же на диаметре большем, чем диаметр линии контакта подвижных седел с ними. Уплотнительные диски могут быть изготовлены из коррозиоонностойкой стали или бронзы, при этом форма и способ крепления позволяет им упруго деформироваться при перемещении подвижных седел и под действием давления рабочей среды, то есть самоуплотнятся. Упругая конструкция уплотнительных дисков, кроме того, снижает требования к точности изготовления сферы подвижных седел, так как позволяет «отслеживать» погрешности ее формы. При возникновении избыточного давления в корпусе крана уплотнительные диски прогибаются в обратную сторону, и происходит сброс давления с корпуса, что важно для жидких сред.


Рис.6


Для предлагаемой конструкции крана седла могут быть изготовлены из листовой стали с минимальными припусками в условиях обычного станочного парка небольшого предприятия. В качестве заготовки втулки может быть использована труба из «нержавеющей» стали близкого типоразмера. Пробка крана может быть отлита из обычной углеродистой стали и требуется обработка только трущихся поверхностей (рис. 7, 8).


Рис.7


Пробка является силовым элементом и воспринимает весь перепад давления в кране, поэтому требования к подвижным седлам снижаются и они могут быть изготовлены из такого перспективного материала как керамика, что практически исключает износ уплотнительных поверхностей в экстремальных условиях повышенных температур и агрессивных сред.


Рис.8


На рисунке 9 показан вариант крана с двумя рукоятками. В данном случае регулируемые упоры отсутствуют и на боковой поверхности верхней опоры выше ее уплотнения нарезан червячный сектор, который находится в зацеплении с червячным валом, соединенным со второй рукояткой. Рукоятки расположены таким образом, что блокируют друг друга. На рисунке 9 кран показан в положении «открыто», рукоятка, связанная с пробкой расположена вдоль оси трубопровода и блокирует рукоятку разведения седел.


Рис.9


Седла невозможно расклинить пока кран не будет закрыт и рукоятка, связанная с пробкой не станет перпендикулярно трубопроводу. На рисунке 10 кран показан в положении «закрыто», рукоятка, связанная с пробкой расположена перпендикулярно трубопроводу и ее блокирует рукоятка разведения седел. Кран невозможно открыть пока седла не будут разблокированы.


Рис.10


Из выше описанного следует, что такое решение, как расположение подвижных седел в проточках на пробке, а неподвижных уплотнений - в корпусе и то, что они вступают в контакт только в положении крана «закрыто», после перемещения подвижных седел, а в остальное время между ними обеспечен минимальный зазор, который позволяет:

1) сэкономить средства, на уменьшении времени обработки поверхности пробки, отказе от использования специального точного сферообрабатывающего оборудования в пользу обычного универсального станочного парка, отказе от покрытия всей поверхности пробки хромом или никелем и ее последующем полировании;
2) сэкономить средства при доводке изделия и проведении испытаний запорного органа на герметичность, так как имеется возможность менять контактное давление в уплотнении крана, при этом отпадает необходимость в разборке крана и подгонке уплотнений, кран при регулировке может находиться под давлением;
3) продлить срок службы крана, так как в отличие от традиционной конструкции, отсутствует износ уплотнений при повороте пробки и трение, постоянно поджатых пружинами седел, по ее поверхности;
4) упростить обслуживание крана, так как в ходе эксплуатации имеется возможность откорректировать износ уплотнения и восстановить герметичность без разборки крана простым вращением регулируемых упоров, причем кран при этом может находиться под давлением;
5) на время проведения ремонтных работ, вращением регулируемых упоров, возможно, полностью заблокировать кран в положении «закрыто», исключив возможность самопроизвольного его открытия. Привод при этом может быть снять для проведения ремонтных работ;

Описанная конструкция может быть освоена на предприятиях выпускающих шаровые краны типа «пробка в опорах» от DN 50 до DN 500 на давление до 10 МПА на обычные и агрессивные среды с температурой до +200 °С, без дополнительных материальных затрат, с получением ощутимого экономического эффекта.

Обсудить и высказать мнение о материале, можно на форуме


Смотрите также:

ООО «Завод кольцевых заготовок». Интервью с директором по продажам Д. Фатьяновым в рамках выставки MIOGE 2017: Мы предлагаем продукцию высокого качества и по приемлемой цене

ООО «Завод кольцевых заготовок». Интервью с директором по продажам Д. Фатьяновым в рамках выставки MIOGE 2017:...

Уважаемые зрители портала Armtorg.ru, мы продолжаем публикацию интервью, сделанных в рамках международной выставки нефтегазового...

Российские арматуростроители войдут в вендор-листы международных инжиниринговых компаний

Российские арматуростроители войдут в вендор-листы международных инжиниринговых компаний

Минпромторг России утвердил Методические рекомендации по организации и проведению квалификационного отбора российских...

ЦКБА завершило поставку шаровых кранов для строящихся кораблей ВМФ России

ЦКБА завершило поставку шаровых кранов для строящихся кораблей ВМФ России

Шаровые краны в титановом, бронзовом и н/ж исполнении были поставлены для комплектации систем корабля противоминной обороны нового...


Последние добавления библиотеки